（光学工程专业论文）基于微加工技术的光开关及光互连结构研究.pdf

浙江大学博士学位论文 v 8 7 7 9 3 5 摘要 本博士论文对基于非硅基微加工技术的光开关的设计分析与器件制作以及 基于软光刻技术的微光学器件进行了研究。 本文主体由两大部分构成。第一部分主要是基于非硅基微加工技术的光开 关的研究，第二部分则是基于软光刻技术的微光学器件的研究。文中从理论分 析和实验验证两个方面对器件的设计分析及制作封装进行了深入的研究。 第一部分包括四个章节，其中前三个章节分别介绍了三种非硅基光开关的 设计，驱动原理及测试结果，另外一个章节则对这三种光开关的制作工艺做了 一个总结。各章的主要内容分别介绍如下： 其中第二章介绍了由自锁型电磁驱动单元构筑的一种非硅基低电压驱动1 8 光开关，该光开关具有小体积，低成本，可扩展的特点。该开关采用的自 锁型电磁微镜驱动单元具有落地面积小，集成度高的特点，有很高的通用性， 能够组成多种单元阵列，拓展出多种端口光开关。基于此单元的1 2 ，1 4 ， 1 8 ，2 2 光开关已经试制成功，并通过了浙江省新产品鉴定。 第三章介绍了一种非硅基微机械小型可扩展1 2 光开关，该开关封装体积 小，开关速度快，功耗低，是一种性能优越的光路切换器件，可广泛应用于光- 交换网络和光纤测试系统中。通过对原有1 8 开关驱动单元的改进，实现了 o 一5 v d c 的标准开关电源驱动，便于系统集成，同吲继承了原反射单元体积小， 切换速度快的特点，通过活动单元的阵列，可将其扩展为1 n 光开关。 第四章介绍了光纤直接耦合型非硅基1 2 光开关，该器件是在我们前面两 种采用光纤准直器类型的光开关基础上研究开发的。该器件使用电磁微线圈驱 动一封装在微加工柔性框架上的活动光纤来对准另两根固定光纤，实现光路转 换。驱动电压为5 v ，开关时间小于2 m s ，插入损耗o 9 d b 1 1 d b 。器件构造工 艺采用了c n c 雕刻技术和e d m 技术。 第五章对前面几种开关器件的制作及封装工艺进行了总结和分析，分开关 实现技术、元件分析、封装方式比较、制作工艺流程及专用工装等几个方面进 行了详细介绍。总结出了一整套光无源器件制作的工艺流程。 浙江大学博士学位论文 第二部分包括两个章节，其中各章节的主要内容如下： 其中第六章介绍了我们设计制作的一种基于软光刻的光互连耦合结构。该 结构具有设计新颖，低损耗，安装简单，与高聚物光学波导集成一体的特点， 其光束对准偏差容忍度为其他设计的四倍，极大的简化了光学互连耦合结构在 p c b 板上的应用。针对该光学互连耦合结构申请的国家发明专利已获得授权。 第七章介绍了一种定向耦合器型高聚物光开关的理论设计。根据 b e a m p r o p 软件模拟分析，该器件实现了低插入损耗和串扰，并具有偏振不敏 感，波长响应平坦，易于集成等显著特点。 论文最后对攻博期间的工作做出了总结与展望( 第八章) ，提出了对光开关 及光互连结构进一步的研究设想。 关键词：光开关，光学互连，微机电系统，软光刻，e d m i i 登兰奎兰曼：兰垡兰三 一 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt oas t u d yo nt h en o n s i l j c o nm i c m m a c h i n i n gb a s e do p t i c a l s w i t c ha n ds o 俳l i t h o g r a p h y b a s e dm i c r oo p t i c a 】c o r n p o n e n t s t h ec o n t e mo ft 1 1 ed i s s e 埘i o ni sc l a s s i n e di n t ot w op 删s o n ei s t 1 1 er e s e a r c ho f n o n s i l i c o n m i c r o m a c h i n i n g b a s e do p t i c a ls w t c h t h eo 吐i e ri so nt 圭1 er e s e a r c ho f s o f t 一1 i t h o 昏a p h y _ b a s e dm i c r oo p t i c a lc o m p o n e m s w ei n v e s t i g a t e d 廿1 e s e 铆ob n d so fd e v i c e s b o t hi nm e - rt h e o r e t i c a ld e s i g n sa n de x p e r i m e m a t o n s t h ep a r to n ei n c l u d e s f o u rc b a p t e r s m a i nc o n t e n to ft h i sp a r ti ss u m m 撕z e di nt h e f o l l o w i n g ： c h a p t e r1p r o v i d e s ab r i e fi n t r o d u c t i o n o fp e r t a i n i n gb a c k g r o u n dt e c h n o l o g i e sf o rt h e d e v i c e ss n l d i e dh e r e i n c h a p t e r2i n t r o d u c e san o n s 1 i c o nb a s e dl o wd r i v i n g v o l t a g e1 8l a t c h i n go p t i c a ls w i t c h ， t h i ss w i t c hw a sc h a r a c t e r i z e da ss m a l l - v o l u m e ，j o 、v _ c o s t ，a 工1 de a s yt oe x p a n d f e a t u r i n gas m a l l f o o l p r i n ta n dh i g hj n t e 鲈a t e dl a t c h i n gm j c r o - m j r r o rd r i v i n gu n i t ，吐1 ep o r tn u m b e ro ft h eo p t l c a l s w i t c hc a nb eu p 笋a d e dt on n ( n 4 ) a n das e r i e so fs w i t c hp r o 的l y p e sb a s e do nt h ed e s i g 九 h a sp a s s e dt h ec e r t m c a t i o no fn e wp m d u c t i o no f z h e j i a f l gp r o v i n c e c h a p t e r3s u m m a r i z e sam i c r o m a c h i n j n g b a s e dm i n i a t u r el 2m e m so p t i c a ls w i t c h t h e s w i t c h c o m p r i s e so fa m i c r o - m i r r o rd r j v e n b ye l e c 订o m a g n e t i ca c t u a t o rw i t h a u n i q u e c o n 矗g u r a t i o nu s i n gap e r h l a n e n tm a g n e tt h es w i t c ht i m ew a sm e a s u r e d 3 m sa t5 v d c a p p i i c a t i o na n dap a c k a g e ds i z er e a c h e da ss m a l la s2 1 1 6 1 26 m m al j f e t i m et e s to f5 1 0 6 r e p e t i t i o nw a sc o n d u c t e da t l dm es w i t c he x h i b i t sas t a b l eo p e 洲o nt h r o u 曲o u tt h et e s t w h e nj tc o m e st om ec h 印t e r4 ，ad e s i 韶o fm i c r o m a c h i n i n gb a s e dl 2d i r e c t _ c o u p l e d n b e rs w n c hi si n t r o d u c e d c n ce n 铲a v i n ga n de d m 把c h n i q u e sw e r eu s e dt of 曲r i c a t eas w i t c h s 锄p l ew h e r e am o v a b l e舫e rm o u n t e d0 na m i c r o m a ：c h i n e df l e x u r ei s“v e n e l e c t r o m a g n e t i c a l l y ，a n do u t p u t1 j g h tb e a mi sd i r e c t l yc o u p i e dt oe n h e ro fe n ds l l r f a c e so fo t l l e r t 、v of i b e r s ；t h es w i t c hf e a t u r e sal o wd r i v e nv o l t a g e ( 5 v ) ，f 瓠ts w i t c h ( 1 ) 。另一种是微机械式( m e m s ) ，由光刻 技术在硅片上刻制出微型小镜子，由静电或热伸缩驱动。这类开关可制成高端 口如l 0 0 8 1 0 0 8 的光纤交换器( o p t i c a l c r o s s c o 肌e c t i o n ，o r o x c ) 但目前技术 还未成熟，工艺复杂，成品率低。这二类光开关速度都在1 m s 至2 0 m s 之间， 目前主要应用在全光路由器( o p t i c a lr o u t e r ) 以外的领域里。 传统的机械光开关一般有以下两种原理： 一种是以自锁电磁继电器为驱动动力源，带动棱镜的上下动作，从而实现 光路转换。由于棱镜的相对位置受环境温度变化的影响不大，所以这种光开关 在不同的环境温度下都能稳定工作。但是体积较大，同时由于控制棱镜的杠杆 长度较长，共振频率低，外力作用下易引起共振，导致器件插入损耗变化较大。 原理如图1 1 所示： e 卜h e - 日= 卜_ l 旺豢疆 a 无棱镜插入b 有棱镜插入 图1 1 棱镜开关原理图 目前国际上该类型的光开关产品有美国d i c o nf i b e r o p t i c s 公司的2 2 p r i s ms 谢t c h 5 ，如图l 一2 所示： 图1 2 d i c o nf i b e r 叩t i c s 公司的2 2 p r i s ms w i t c h 5 】 该产品的插入损耗在o 6 d b 左右，开关时间为1 0 m s ，外形尺寸为6 7 3 2 1 6 m m 。 5 另一种是继电器驱动的反射镜型开关，这种类型的光开关同样是以自锁电 磁继电器为驱动动力源，带动反射镜的摆动，从而实现光路的转换。由于这种 开关使用双光纤准直器进行光束准直，所以体积较小；运动部件的重量轻，所 以其开关速度与抗震性能较之棱镜型开关要好。原理如图1 3 所示： a 反射镜摆动前 b 反射镜摆动后 图1 3 反射镜开关原理图 国际上该类型光开关的产品有美国j d su n i p 1 a s e 公司的s n 系列 6 】，如图 1 4 所示： 图1 4 美国j d su n i p h a s e 公司的s n 系列【6 】 该产品的插入损耗在o 8 1 d b 左右，开关时间为8 m s ，外形尺寸为4 8 4 8 7 1 8 1 m m 。【6 12 2m e m s 型光开关 m e m s ( m i c r oe 1 e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e l t 】s ) 微电子机械系统技术是多学 科交叉的新兴领域，融合微电子与精密机械加工技术，包含微传感器、微执行 器及信号处理、控制电路等，利用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零件、 部件，集光机电于一体，完成一定功能的复杂微细系统。 7 该技术已经在许多领域得到了广泛应用，后面将进行专门介绍。在光通讯 领域，基于m e m s 技术的光开关解决方案也正在受到业界推崇。下面重点对m e m s 光开关技术进行介绍。 m e m s 光开关与其他类型的光开关相比具有以下的特点： 1 微型化，m e m s 光开关体积小，重量轻，能耗低。 2 以硅为主要材料，电气及机械性能优良。 3 价格低廉，可以批量生产，利用硅微加工工艺，可以在一片硅片上制造 很多个瓶m s 光开关部件或者整个光开关，相比其他类型的光开关，成 本大大降低。 4 集成化，可以把多个m e m s 光开关集成在一块硅片上，形成大规模的光 开关阵列，甚至可以把多种m e m s 集成在一起，形成高性能高可靠性的 微系统。 目前m e m s 光开关的设计思路有以下两类：第一类则是由微机械机构带动一 根光纤的末端，离开或者连接到临近的光纤的末端，达到光路切换的目的。第 二类是由一个微机械机构控制微反射镜( m i c r o i i 】i r r o r ) 的动作完成光路切换。 7 浙江大学博士学位论文 入射光纤和出射光纤的距离在保证必须的间隙的情况下，般应小于5 0 微米或 者更小，为减小器件的插入损耗，必须尽量提高反射镜的反射率，同时，要保 证反射镜同光纤之间很高的垂直精度。第一种方法更多的用于小型的低端口光 开关，与使用微反射镜的方法相比，工艺精度要求相对比较低，更容易实现， 由于光纤两端的对接并不需要留出一定的距离，所以，损耗可以作的相对比较 小，信嗓比也可以更高。第二种方法更多的用于1 n 的开关，此时，反射镜旋 转的不同角度，将使光线偏转不同的角度，以射入需要的光纤，对反射镜的校 正与准直的要求非常的高。而在大型的n n 的光开关中，般都使用n n 的 微反射镜阵列。目前在高端口开关中，普遍使用三维的微反射镜阵列，构成三 维的光开关。 作为第一种开关的典型代表，k o p k a 等人提出了一种利用热驱动原理移动 光纤实现从入射光纤到不同的出射光纤间信号切换的开关 8 。具体结构如图 卜5 所示： 图l 一5 移动光纤型开关结构原理图 8 而l u c e n tt e c h 的l i n 等人提出的基于光反射镜阵列的光开关( 见图卜6 ) 则利用了铰链结构及s d a s ( s c r a t c hd r i v ea c t u a t o r s ) 结构进行驱动 9 ， 这种类型开关正是第二类开关实现原理的典型。 图卜6 摆动微镜阵列型开关原理图 9 同样来自l u c e n tt e c h 的另外一种移动微镜开关则如图卜7 所示 1 0 ，支 持微镜的是x 、y 正交的两个铰链，圆形的微镜被固定于这一框架上，使得微镜 能够在这两个方向上旋转自如。基于静电原理的两对电极被安放于微镜下方用 来分别在x 、y 方向上驱动微镜转动。将此微反射镜单元集成制作为阵列，使用 两块微反射镜单元阵列，即可实现大规模的光交叉互连。图卜8 为其原理图， 第一块微反射镜阵列作用是将入射光信号反射到第二块微镜阵列上相应的微镜 中，而第二块微镜阵列的作用是调节光信号的角度使之可以耦合到输出光纤中， 这个系统的最大优点在于，对于实现n n 规模的光交换，只需要2 n 个反射单 元即可，大大降低了所需反射单元数目，而任意途径的光交换，只需经两次反 射即可完成，效率很高。 图1 73 d 微镜结构原理图 1 0 图卜83 dm e m s 光开关原理图 1 0 图卜6 所示的微镜只有“开”和“关”两种状态，被称之为数字微镜或2 维微镜。由于每一微镜只有一个自由度，所控制光束对应的入射端口和出射端 浙江大学博士学位论文 口都是固定的。因此要构筑n n 端口的光开关就需要一个n 2 数量的2 维微镜阵 列。而图卜7 所示的微镜可以实现多角度的转动控制，被称之为3 维微镜。一 个微镜可以将一入射端口的光束导向多个被指定的出射端口。这一微镜配置方 式使得构筑n n 端口的光开关仅需要2 n 数量的3 维微镜阵列。然而其缺点在 于需要非常精确的控制所有的微反射镜在任意方向上的旋转角度，这是目前影 响此系统发展的主要限制。 在目前的商用高端产品中，x r o si n c n o r t e l 公司于1 9 9 9 年生产出一种 大型全光开关系统o p t e r ac o n n e c td x 1 1 。这是一种基于三维m e m s 技术的2 5 2 2 5 2 或者1 0 0 8 l 0 0 8 的光开关( o p t e r as m a r to s ) ，其特点为全光转换和 t e r a b i t 量级的开关容量。在低端产品中，d i c 。nf i b e r o p t i c s 公司推出一种 m e m so n o f fs w n c h 5 。这是一种基于m e m s 芯片的光开关，其m e m s 芯片包 括一个硅基底的电动微反射镜，当为芯片提供电压时，芯片会驱动微反射镜旋 转，以改变开关中输入和输出光纤的耦合。其特点为：( 1 ) 极低的电流消耗：( 2 ) 在全波长范围内具有比较低的极化损耗。另外，美国o m m 公司推出的o h i m 4 4 o p t i c a lc r o s s c o n n e c ts w i t c h ( 图卜9 ) 1 2 ，采用了4 4 的微反射镜阵 列，具有插入损耗及串扰小，工作条件要求低的特点，并且可以扩展为8 8 及 1 6 1 6 的开关。2 0 0 1 年7 月o m m 公司的该型号光开关通过t e l c o r d i a ( g r 一1 0 7 3 一c o r e ) 可靠性测试，工作3 8 0 0 万次无一失效，消除了人们对m e m s 技 术可靠性的疑虑。 1 2 a 产品外形b 原理示意图 图卜9 美国o m 公司的。瑚4 4o p t i c a lc r o s s c o n n e c ts w i t c h 1 2 浙江大学博士学位论文 尽管率先将m e m s 光开关商用化的o m m 公司在2 0 0 3 年3 月因最后获得资金 的希望破灭而暂时关闭，2 0 0 2 年o n i x 倒闭，i m i 转向以及2 0 0 1 年x r o s 被n t e l 收购。目前仍有不少机构( 包括d i c o n ，l u c e n t ，j d s u ，n o r t e l 等) 在进行m e m s 光开关的应用开发。h l e m s 技术仍然是光开关最主要的实现技术之一。 1 2 3 。波导型光开关 波导型光开关是在光波导传光的基础上，利用某些波导在电场、磁场、声 波或热的作用下，其介电常数或折射率发生变化的物理效应，对光波进行调制， 从而实现光信号的开关。这种类型的光开关，具有较高的开关速度，利用微电 子技术，可以做到高密度集成，但也具有插入损耗及串扰太大，消光比低，功 率和发热量过高的缺点。 波导型光开关的工作原理分为两类，一类是利用干涉原理，包括马赫一泽德 ( m a c h z e h n d e r ) 干涉型开关，定向耦合型开关等。通常是先利用分束器将输 入光信号分成相等的两个光束，分别延着两个波导传播，当利用电场、磁场等， 对这两个波导进行不同的调制，则在其中传播的光信号就产生相位差，利用这 两柬光的干涉来切换光路。这一类方法，对光的偏振敏感，只能调制特定方向 偏振的光信号，消光比和串扰不理想，插入损耗比较大。另一类是数字型开关， 包括全内反射型开关和强度调制开关等，前者是利用折射率的变化来控制波导 介面上全反射的形成，达到开关光路的目的，后者则是利用各种吸收现象，直 接调制光强来形成光路开关。数字型光开关对偏振不敏感，是波导型光开关今 后发展的主要方向。 波导型光开关的一个主要问题在于波导的材质，通常是基于铌酸锂l 州b o 。 以及i i i v 族化合物的半导体波导，比如g a a s 、i n p 、i n p g a a s 等，这些材料在 光开关的开发中，均具有各自的特点，但是，也同时具有明显的缺点。以l i n b 0 。 材料制作的光开关具备良好的电光效应和透明性，在要求低损耗和高速度的系 统中出于有利位置，但是工作电压以及体积太大。g a a s 材料可以把波导器件和 激光器，探测器集成在同一芯片上，而且响应速度比较快，但是存在着工作波 长与通信用波长不符的缺点。i n p 材料可以制作非常小的器件，可以将有源和 无源的器件集成在一起，响应速度也很快，达到了纳秒级，但是其过大的插入 浙江大学博士学位论立 损耗也是一个重大的缺点，正是出于这些原因，目前这一类的开关商品化的很 少。有机聚合物是优秀的功能材料，用于光电子器件的研究，具有价格低廉， 工艺简便等明显的优点。而且人们对于有机聚合物材料的许多特性有了很深入 的了解，可以根据需要的特性，如电光特性，热光特性等，进行材料合成，使 得其应用前景广泛。但是目前仍然存在材料老化，环境要求高等缺点。 1 2 4 液晶型光开关 该技术在九十年代初由j p a t e l 等人在t e l c o r d i at e c h n o l o g i e si n c 开 发 1 3 。该类产品利用有几十年成熟加工工艺的液晶生产技术，用电信号控制 液晶片转动极化方向来实现光路转换，摆脱了有运动部件的缺点，提高了可靠 性，同时该类开关还可用做可调光衰减器。其主要缺点是串音较大，一般机械 式光开关的串音值在一8 0 d b 以下，但液晶光开关目前只能达到一3 5 d b ，并且由于 光束极化分离重组元件较多，导致了插入损耗上升，目前产品体积也较大。同 时系统复杂的光路元件提高了产品成本。 液晶型光开关的原理是利用电信号控制液晶片转动偏振方向来实现光路转 换。首先利用个偏振光束分离器将输入光信号的两个偏振态分离，然后利用 液晶片的旋光效应对这两个偏振态分别进行调制，然后再利用一个偏振光束合 成器将光信号还原，原理如图卜1 0 所示： a ，液晶片没有外加电压时，不产生 b 液晶片外加一定电压 旋光现象两柬偏振光的偏振方向同时旋转9 0 。 图1 1 0 液晶光开关原理( 1 2 型) 在图卜l o 中，偏振光束分离器及合成器都使用了格兰( g r e e n ) 棱镜，实 际上，还可以使用其它分离手段，比如利用晶体双折射现象，可以分离出平行 的两束偏振光，此时光路会有所不同，但是原理还是一样的。图卜1 0 的原理很 容易扩展为2 2 型的开关，只要同时输入两路光信号就可以，如图1 一l l 所示： 图卜1 1 2 2 型液晶光开关原理 液晶光开关的优点在于，不要求温度控制，不存在运动部件，提高了可靠 性，而且还可以利用利用有几十年成熟加工工艺的液晶生产技术，同时还还可 用做可调光衰减器。但是由于液晶器件是偏振调制，所以串扰较大，一般机械 式光开关的串扰值在一8 0 d b 以下，但液晶光开关目前只能达到一3 5 d b 。同时系统 复杂的光路元件对精度的要求比较高，使得产品体积也较大，提高了产品成本。 目前国际上已有该类型的商用产品，如图9 所示即为美国s p e c t r as w i t c h 公司的2 2w a v e w a l k e r “ 1 4 。该产品的插入损耗在1 0 d b 左右，开关时间为 4 m s ，外形尺寸为l o o 2 5 9 m m 1 4 。该类开关中的高档产品还有美国c o r n i n g 公司的4 0 信道可选波长交叉连接开关( w a v e l e n g t hs e l e c t a b l e c r o s s c o n n e c t ) 。 图1 _ 1 2 s p e c t r a s w i t c h 公司的2 2 w a v e w a l k e r t m 1 4 浙江大学博士学位论文 1 2 5 其他类型的光开关 随着光器件技术的突飞猛进，各种新方法也不断地应用在光开关的设计上。 由材料能带工程的发展而产生的量子超晶格材料，可以产生更高效、更灵 敏的各种折射率效应，其中包括量子s t a r k 效应和能带填充效应，由此研制的 量子阱光开关具有高速度，结构紧凑，易于继承的特点，已经处于试验阶段。 在m e m s 技术上，也出现了一些新的原理和技术，人们正在探索新的驱动机 构，比如利用电毛细效应和热毛细效应，可以改进器件的某些性能，或者可以 简化制作工艺，但在一定程度上会降低器件的其他性能。另外，在2 0 0 0 年，出 现了使用h p 喷墨打印技术的全光交换芯片，其原理是通过电加热使折射率液里 特定的位置上产生气泡，改变折射率，从而实现调制光路。引入h p 喷墨技术主 要意义就在于精确控制气泡产生的位置。 随着半导体光放大器( s o a ) 的完善和成熟门控型光开关及其阵列开始引起 人们的重视。这种器件采取了门控的工作方式，利用s o a 作为光门，一方面可 以实现光路开关，另一方面可以对信号的衰减进行放大，解决了器件插入损耗 的问题。 1 。3 微加工技术及m e m s 概述 微电子机械系统技术( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ：m e m s ) 是借 鉴了半导体工业中集成电路( i c ) 成熟的加工技术和超精密机械加工工艺而发 展起来的一项新兴技术。自6 0 年代出现第一代微机械元件以来，已经发展了近 4 0 年。然而直至近十几年微加工技术的突破，m e m s 技术才取得了重大的进展。 m e m s 技术通过微型化和集成化能完成传统大机电系统所不能完成的任务，并且 可以嵌入大尺寸系统中，把系统性能及可靠性提升到个新的水平。可以用3 个m 来概括其优势：小型化( m i n i a t u r i z a t i o n ) 、多重性( m u l t i p l i c i t y ) 、微电 子化( m i c r oe l e c t r o n i c s ) 1 5 。图卜1 3 为器件复杂度的发展示意图，显然， 随着微电子技术和各种微加工技术的不断进步，m e m s 器件的集成度和复杂程度 正在不断的提高 1 6 。 渐江大学博士学位论文 图卜1 3m e m s 器件复杂度的发展示意图 m e m s 技术非常适用于光学领域，这是因为：首先，m e m s 器件尺寸及运动距 离与光波波长是可比拟的；其次，可构成光波导的材质如s i ，s i 0 。等均适用于 制作m e m s 器件；其三，m e m s 器件反应灵敏但驱动力微弱，非常合适控制光路。 m e m s 技术与微光学技术的结合发展出了微光学电子机械系统技术( m i c r o o p t i c e 1 e c t r o m e c h a n i c a ls y s t et 1 1 s ：m o e m s ) ，新型的基于m o e m s 技术的光学 器件已经出现，且同益广泛的应用于电子，通信，传感，测控，生物等领域。 现有m e m s 技术从材料和加工工艺上可以分成硅基和非硅基两大类。目前这 两种技术在微光学器件的制造中均有广泛的应用| j 景。 1 3 1 硅基m e m s 技术 硅基m e m s 技术由集成电路( i c ) 加工技术发展而来，与微电子工艺的兼容 性较好，适合批量制作含有集成电路的微机械系统。硅基m o e m s 技术又可细分 为体硅微加工技术( b u l ks 儿i c o nm i c r o m a c h i n i n g ) 和表面硅微加工技术 ( s u r f a c es i l i c o nm i c r o m a c h i n i n g ) 。 1 3 1 1 体硅微加工技术 体硅微加工技术 1 7 的基本过程是，首先在硅表面涂覆光刻胶，再覆盖掩 模进行光刻，掩模经过合理设计，使得光刻后，所需要蚀刻部分暴露在外而其 他部分被光刻胶掩盖。然后利用湿法蚀刻或干法蚀刻工艺在硅体上腐蚀掉需要 去掉的部分。湿法蚀刻是将硅片浸泡在腐蚀液中进行蚀刻，可以通过控制腐蚀 液的成分和温度来实现各向同性蚀刻或各向异性蚀刻，还可以通过对硅片的特 定部分进行掺杂和沉积来实现自停止蚀刻。干法蚀刻目前主要有等离子体蚀刻 和反应离子蚀刻，工作原理包括气体放电产生游离基对硅体的化学蚀刻以及中 性离子的物理蚀刻。干法蚀刻加工速率较高，而且反应离子蚀刻可通过控制参 数实现各向同性或异性蚀刻的选择，控制性好。图卜1 4 表示体硅微加工各向同 性及各向异性蚀刻的示意图，其中，各向异性蚀刻图中箭头表示晶轴方向。 i g a t f l 嘲i ce t c h i n a f f 帕删 目渤nc o 柑新神 气穴罗 j 。，“ 。臻薯誊禹i 黪曩 i 塑! 鎏蔓遂：鎏i 鲎塑鎏鋈鎏 且n i g d t r a p i c t c h i n a f r 呲内r 椭哟m j l l i i a 掌l cm 百m 乱e “副 础厅_ r n 爹、1 ，f 燮遴鎏耋塑霪羹鲨粪夔鎏鳖 图1 一1 4 体硅微加工各向同性及各向异性蚀刻示意图 体硅微加工技术加工深度比较深，可达数百微米，有利于三维结构的形成， 但其缺点在于运动部件无法直接制作，需要通过各种键合工艺来获得，这无疑 影响了器件集成度和复杂度的提高，并且导致器件制作和封装工艺难度加大， 增加了制作成本。 1 3 1 2 表面硅微加工技术 表面硅微加工技术 1 8 主要是通过在硅基表面覆盖牺牲层和结构层，并通 过牺牲层的腐蚀去除来获得所需要的结构，并不对硅基底进行腐蚀，所以称为 表面硅微加工技术。 1 ) d 帮僻l t i $ 耐a t i o n l 姆e r 2 ) d 锋髓i l a n d p a l t e m s a c 蛐c i a ll 科e r 3 ) d 坼铺h a n d p a 仕骶 s 衄埔在l 糟ii 田盯 4 ) s e l 钟矾e 睁b 蛐 s a 谳e 试i 旃e f = 竺妻 芦阜球 j 巴裂 图卜1 5 表面硅微加丁技术加工示意图 图卜1 5 表示一个典型的通过表面硅微加工技术获得悬臂梁结构过程， 1 ) 在硅基表面沉积用于保护硅基的隔离层，一般采用s i 。h ： 2 ) 沉积牺牲层，一般为s i 0 。，并蚀刻出所需图样，这一步可以通过湿法蚀 刻技术实现： 3 ) 沉积结构层，并蚀刻出需要保留的结构，传统的结构层采用多晶硅材质， 新技术中已有采用其他材质； 4 ) 将牺牲层完全蚀刻，得到悬臂梁，这一步可以通过选择特定的腐蚀液， 采用湿法蚀刻实现。 可以看出，对牺牲层的选择性蚀刻是表面硅微加工技术与体硅微加工技术 的最大区别。通过对同一硅基底进行多次的表面微加工过程，可以形成非常复 杂的多层结构，可以直接在硅基表面形成运动部件，加工深度一般在几十微米 左右。在实际应用中，这两种不同的加工技术并没有严格的界限区分，一个器 件的制作往往会通过多次不同的加工技术来实现。 1 3 1 3 硅基m e m s 技术的应用 硅基m e m s 技术现己广泛应用于各类微光学器件的制作，涉及领域非常广 泛，在此仅举几个重要且典型的例子来说明。 1 3 1 3 1m e m s 光纤压力传感器 硅基m e m s 技术最早的应用是光纤压力传感器的设计和制作，微机械结构反 1 7 浙江大学博士学位论文 应灵敏的特点非常适合压力传感器的性能要求，且m e m s 光纤压力传感器设计相 对简单，利用早期硅基微加工技术即可制作，随着近年来硅基微加工技术的发 展，m e m s 光纤压力传感器采用了更加复杂的结构，其量程，灵敏性和稳定性得 到了不断提高，并出现了集成度很高的压力探测器阵列 1 9 。m e m s 光纤压力传 感器通常基于微机械表面反射光性质的变化来工作的，利用f p ( f a b r y p e r o t ) 干涉原理工作的f p 光纤压力传感器是其中非常重要的一种 2 0 。 焉葶鳓= ：一雾：= 酷葶勇 。一；j f ；黼丽 i o m 一 c 柚 唧自叫n b ” ，、 一 图卜1 6m e m sf p 光纤压力传感器结构示意图 2 0 图卜1 6 是一种典型的f p 光纤压力传感器的示意图 2 0 。此器件上表面采 用表面硅微加工工艺制作，结构层由两层1 6 0 n m 厚s i 。n 。包夹4 6 0 n m 厚s i 0 ：层组 成，牺牲层为6 0 0 n m 厚的多晶硅，用以形成空气隙，衬底层组成与结构层相同， 衬底层和结构层组成了一个标准的f p 干涉腔。下表面由体硅微加工技术制作， 形成光纤头安装槽。器件工作时，光信号由光纤头输入，经过上表面衬底层和 结构层反射后发生干涉，反射光强度由空气隙的厚度决定，然后返回光纤。当 结构层受力时，空气隙厚度发生变化，则反射光强度发生变化，即可得知结构 层受力大小。此器件具有超过o 1 的分辨率，其量程在0 2 0 0 k p a ，而灵敏度超 过o 1 4 k p a 。 f p 光纤压力传感器近年来发展迅速，已制造出使用白光光源的器件 2 1 和直接在光纤端面上制作的超微型器件 1 9 ，商用产品也已逐步上市。 1 8 13 1 3 2 数字微镜器件 美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ：t i ) 的l a r r yj h o r n b e c k 博士 将m o e m s 技术用于数字光显示处理领域，在1 9 8 7 年成功的发明了一种 d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) 器件，即数字微镜器件 2 2 。相比传统的 c r t 技术和l c d 技术，基于d m d 技术的大屏幕显示屏在显示亮度，工作稳定性 和一致性方面具有很大的优势。 d m d 显示屏的一个象素实际上就是一个以制作了c m o s 电路的硅片为基底， 并通过多次表面硅微加工技术制作的边长仅为1 6um 微反射镜，每个微镜只能 处于三种状态，即与基板成1 0 。角或与基板平行，其驱动方式为静电驱动， 三种状态分别对应驱动电压为5 v ，o v 。分辨率为8 0 0 6 0 0 的d m d 显示器，需 要集成8 0 0 6 0 0 个象素的d m d 阵列。图卜1 7 所示为d m d 结构示意图及局部放 大照片，其中图卜1 7 a 为单个微反射镜结构示意图，图1 一1 7 b 为d m d 阵列放大 照片，中间的单元没有微镜，可清晰的看见内部结构。 d m d 器件具体制作过程非常复杂，本文仅指出其工艺中具有鲜明特点和重 要意义之处，其一，与以往的m e m s 器件不同，d m d 器件采用了铝代替多晶硅作 为微镜的材质，其优点在于沉积所需温度相对较低，防止了对c m o s 电路的破坏， 实现了微机械与微电子的兼容。其二，d m d 器件的更重要的意义在于提供了一 种集成度很高的微反射镜阵列，虽然此器件很难直接用于光通信器件的开发， 但是其制作工艺具有很高的借鉴价值，在d i d 器件出现之后，各种基于微反射 镜阵列的光通信器件也不断涌现，最典型的代表就是m e m s 型光开关阵列。 ( a ) d m d 单个微反射镜结构示意图 ( b ) d m d 阵列示意图 图卜1 7d 皿裟置结构图 2 2 1 3 1 3 3 垂直微反射镜阵列m e m s 光开关 在全光通信系统中，光开关阵列是一种非常重要的器件，而使用m e m s 技术 制作的光开关，具有串扰小，插入损耗小，与工作波长，偏振态及数据格式无 关的突出优点，具有广泛的发展前景。前面对此项应用己进行了详细介绍，故 此处不再赘述。 1 3 2 非硅基m e m s 技术 硅基m e m s 技术的优点在于，硅材料机械性能及电气性能优良，硅微加工技 术与i c 加工技术兼容性好，且集成度高。然而其缺点在于，无论体硅微加工技 术还是表面微加工技术，加工器件的深度都相当小，只能称为准3 d 加工技术， 且限于对硅材料进行加工。在m e m s 器件要求日趋复杂，金属及聚合物等材料进 入 f e m s 器件制作的情况下，硅微加工技术自身局限性很难克服。对于m o e m s 器 件来说，一般其运动部件行程都需要与光纤尺寸可比拟，至少在几十微米左右， 而硅材料杨氏模量很大，若采用悬臂梁结构来产生这个量级的位移，梁的长度 需要在毫米量级，显然不利于器件制作和集成度的提高，若采用微铰链结构， 则设计和制作都相当复杂。硅基微加工所遇到的难题，促使一些非硅微机械加 ：r 技术进入m e m s 器件设计和制造领域，产生了非硅基m e m s 技术。这些技术起 源于传统的微加工技术，加工材质广泛，l i g a 技术，准l i g a 技术，d e m 技术， 精密电火花成型技术，快速成型技术等。需要指出的是，非硅基m e m s 技术的提 法是相对硅基m e m s 技术的加工体系而言，可以加工非硅材质是其突出优点之 一，但并非表明此类技术不可用于硅材料微加工。 1 3 2 1l i g a 技术 l i g a 技术 2 3 是德文( l i t h o g r a p h i eg a l v a n o f o r m u n ga b f o r m u n g ) 的缩 写，表示此技术为深度光刻，电铸，成型三种技术的有机结合。此技术在8 0 年 代由德国的卡尔斯鲁厄原子能研究中心开发，目前已成为一种公认的非常重要 的高精度3 d 微结构制作技术。 浙江大学博士学位论文 _ 先j - 扫 lt 电 先撼蛙 啦基簟 先捌胶 电基簟 “， 图卜1 8l i g a 技术的一般流程 圈卜1 8 为l i g a 技术的一般流程 2 4 ，首先采用同步x 光源通过掩模对光 刻胶进行深度光刻，第二步为电铸，将光刻得到的模板进行金属电沉积，将被 蚀刻部分完全填满，然后彻底去除光刻胶层，所得即为金属微结构，此结构可 以直接用于m e m s 器件的构成，也可以继续进行第三步，将金属微结构作为压模 或者注塑模，将微结构进行大批量的成型生产。l i g a 技术的突出优点在于，利 用同步x 光源的高准直度与高强度，具有几百微米的加工深度同时加工精度可 达亚微米级，且侧壁垂直，用材广泛，从金属到塑料都可以用l i g a 技术实现 3 d 微结构。 1 ，3 ，2 。11l i g a 技术在m e m s 领域中的应用 l i g a 技术对m e m s 领域产生了显著影响，许多过去无法实现的结构方案， 如今都可以用于m e m s 器件的设计，利用l 工g a 技术加工侧壁的垂直性同时结合 硅微加工技术，可以直接在基板上制作垂直微反射镜，而无需另行装配，这大 大提高了器件的集成度以及可靠性。同时，利用l i g a 技术制作的光纤固定槽深 度与光纤直径相似，提高了光纤封装位置的一致性，降低了器件的插入损耗。 图1 一1 9 为基于l i g a 技术的微步进电机驱动的1 8 光开关原理图 2 5 ，微电机 驱动垂直微反射镜处于不同的角度，从而将光信号耦合入所需要的输出光纤准 直器，图1 2 0 为此开关照片。由于采用l i g a 工艺加工，使得器件整体结构深 度大大增加，器件稳定性得到了保证，同时因为电机转子可以由金属n i 构成， 这使得此电机性能比已有的硅微电机有较大的提高。 2 1 图卜1 9 基于l i g a 技术的微步进电机驱动原理图图1 2 0 基于l i g a 技术的1 8 光开关照片 利用l i g a 技术可以加工压电晶体微结构，并将压电晶体驱动器引入m o e m s 器件的设计中，图卜2 1 为一种由压电晶体驱动的可调光衰减器( v a r i a b l e 0 p t i c a la t t e n u a t o r ：v o a ) 2 6 的原理图，当压电晶体外加一定电压时，将产 生形变，驱动挡光片处于光路中的不同位置，这决定了由输入光纤到输出光纤 的光信号耦合效率的变化，从而达到调制光衰减量的目的。l l g a 技术也可用于 二元光学器件制作，图卜2 2 为基于l 工g a 技术制作的微透镜阵列 2 7 。 图1 2 1 压电晶体驱动可调光衰减器原理图 图l 一2 2l i g a 技术制作的微透镜阵列照片 1 3 2 2 准l i g a 技术 l i g a 技术是一种重要的m e m s 加工技术，但是同步x 光源价格极其昂贵， 且x 射线穿透能力太强，适于l i g a 技术的光掩模版材料稀少，而光掩模版本身 的加工也是一个难题，因此，利用其他光源代替同步x 光源的准l i g a 技术不断 出现，其中主要包括u v l i g a 技术，激光l i g a 技术与d e m 技术。 u v l i g a 技术 2 8 使用紫外光源对光刻胶进行深度光刻，其难度主要在于 浙江大学博士学位论文 稳定，侧壁垂直，